Układy wtryskowe w dieslach. Konstrukcja, zalety i wady

Zasada pracy silnika wysokoprężnego, zwanego powszechnie silnikiem diesla, jest zupełnie inna od zasady pracy silnika benzynowego. W benzynowcach do komory spalania nad tłokiem trafia mieszanka paliwowo-powietrzna. Po sprężeniu mieszanki następuje jej zapłon, inicjowany przeskokiem iskry elektrycznej na elektrodach świecy zapłonowej. To dlatego o benzynowych jednostkach napędowych mówi się również silniki z zapłonem iskrowym (ZI).

W dieslach tłok spręża w komorze spalania wyłącznie powietrze, które pod wpływem ogromnego ciśnienia (przynajmniej 40 barów – stąd nazwa „wysokoprężne”) nagrzewa się do temperatury rzędu 600-800ºC. Wtryśnięcie paliwa w tak mocno rozgrzane powietrze skutkuje natychmiastowym samozapłonem paliwa w komorze spalania. Z tego względu wysokoprężne jednostki napędowe nazywane są również silnikami o zapłonie samoczynnym (ZS). Od samego początku były one zasilane poprzez wtrysk paliwa do komory spalania, nigdy poprzez wtrysk do kolektora dolotowego, którym dostarczane jest do silnika wyłącznie powietrze. W zależności od tego, czy komora spalania była dzielona czy nie dzielona silniki wysokoprężne zostały podzielone na jednostki napędowe z wtryskiem pośrednim lub bezpośrednim.

Wtrysk pośredni

Co prawda silnik wysokoprężny zadebiutował z systemem wtrysku bezpośredniego, ale wykorzystywał go krótko. Takie rozwiązanie sprawiało zbyt wiele problemów i w motoryzacji zostało zastąpione wtryskiem pośrednim opatentowanym w 1909 r. Wtrysk bezpośredni pozostał w dużych silnikach stacjonarnych i okrętowych, a także w części ciężarówek. Konstruktorzy aut osobowych woleli diesle z wtryskiem pośrednim, o miękkiej pracy i mniejszej hałaśliwości.

Określenie „pośredni” w dieslu oznacza coś zupełnie innego niż w przypadku silników benzynowych, w których wtrysk pośredni polega na wprowadzeniu mieszanki paliwowo-powietrznej do kolektora dolotowego. W dieslu z wtryskiem pośrednim, tak jak w konstrukcjach z wtryskiem bezpośrednim, paliwo rozpylone przez wtryskiwacz również trafia do komory spalania. Tyle, że podzielonej na dwie części – pomocniczą, do której wtryskiwane jest paliwo i zasadniczą, czyli przestrzeń bezpośrednio nad tłokiem, w której następuje zasadniczy proces spalania paliwa. Komory połączone są ze sobą kanałem lub kanałami. Ze względu na kształt i funkcje komory dzieli się na wstępne, wirowe i z zasobnikiem powietrza.

Te ostatnie można pominąć, bowiem praktycznie zaprzestano ich produkcji. W przypadku komór wstępnych i wirowych wtryskiwacz zamontowany jest przy komorze pomocniczej i do niej wtryskuje paliwo. Tam następuje zapłon, po czym częściowo spalone paliwo trafia do komory zasadniczej i tam ulega dopaleniu. Diesle z komorami wstępnymi lub wirowymi pracują miękko i mogą mieć lekkie układy korbowe. Nie są wrażliwe na jakość paliwa i mogą mieć wtryskiwacze o prostej konstrukcji. Mają jednak mniejszą sprawność niż diesle z wtryskiem bezpośrednim, zużywają więcej paliwa i wykazują problemy z rozruchem zimnego silnika. Diesle z wtryskiem pośrednim są dzisiaj swego rodzaju reliktem przeszłości w autach osobowych i wychodzą z produkcji. W nowoczesnych samochodach, oferowanych obecnie na rynku są rzadkością. Można znaleźć je tylko w takich konstrukcjach jak indyjskie Hindustan i Tata, rosyjski UAZ, starej generacji Mitsubishi Pajero sprzedawany w Brazylii czy Volkswagen Polo oferowany w Argentynie. W znacznie większej liczbie funkcjonują w autach z rynku wtórnego.

Wtrysk bezpośredni

Od niego wszystko się zaczęło. Początkowo jednak nie potrafiono wykorzystać zalet wtrysku bezpośredniego. Nie znano znaczenia odpowiedniego zawirowania paliwa i jego spalanie nie przebiegało w sposób optymalny. Powstawały skupiska paliwa, co sprzyjało tworzeniu się nagaru. Procesy nad tłokiem następowały zbyt gwałtownie, silniki pracowały twardo, szybko niszcząc łożyskowanie wału korbowego. Dlatego zrezygnowano z wtrysku bezpośredniego, skłaniając się ku wtryskowi pośredniemu.

Powrót do korzeni, ale już w nowoczesnym wydaniu, nastąpił dopiero w 1987 r., gdy do seryjnej produkcji wszedł Fiat Croma 1.9 TD. Bezpośredni wtrysk paliwa wymaga sprawnej aparatury wtryskowej, wysokiego ciśnienia wtrysku, dobrej jakości paliwa i bardzo solidnego (a więc ciężkiego) układu korbowego. Zapewnia jednak wysoką sprawność oraz łatwe uruchamianie zimnego silnika. Współczesne rozwiązania silników wysokoprężnych z wtryskiem bezpośrednim opierają się głównie na zupełnie płaskich głowicach i tłokach z odpowiednio ukształtowanymi komorami (wnękami). Komory odpowiedzialne są za odpowiednie zawirowanie paliwa. Wtrysk bezpośredni stosowany jest dzisiaj powszechnie w wysokoprężnych silnikach samochodów osobowych.

Wtrysk bezpośredni – pompowtryskiwacze

W tradycyjnych silnikach wysokoprężnych za podawanie paliwa odpowiedzialne są różnego rodzaju pompy. W pionierskich czasach paliwo wtryskiwano przy pomocy sprężonego powietrza, w latach 20. robiły to przerobione pompy oleju. W latach trzydziestych powszechnie stosowano już specjalne pompy dedykowane dieslom. Początkowo bazowano na pompach szeregowych, wytwarzających niewielkie ciśnienia (do 300 barów). Dopiero w latach 60. pojawiły się bardziej wydajne, osiowe pompy rozdzielaczowe (ponad 1000 barów). W połowie lat siedemdziesiątych zyskały mechaniczną kontrolę wtrysku, a połowie lat 80. elektroniczną (BMW 524td, 1986 r.).

Nieco innym sposobem realizowania wtrysku paliwa były pompowtryskiwacze, stosowane w ciężarówkach już w latach 30. W autach osobowych wykorzystał je powszechnie koncern Volkswagena, po raz pierwszy w 1998 r. (Passat B5 1.9 TDI). Pompowtryskiwacz w największym skrócie to wtryskiwacz z własną pompą, odbierającą napęd od wałka rozrządu. Cały proces tworzenia ciśnienia i realizowania wtrysku do cylindra zamyka się zatem w obrębie głowicy. System jest bardzo zwarty, nie ma przewodów paliwowych łączących pompę z wtryskiwaczami. Nie ma zatem zjawiska pulsowania przewodów, utrudniającego regulowanie dawki paliwa, i wycieków. Ponieważ paliwo częściowo odparowuje w komorze pompowtryskiwacza kąt wyprzedzenia wtrysku może być mały (łatwość rozruchu). Najważniejsze jest jednak bardzo wysokie ciśnienie wtrysku, sięgające 2000-2200 barów. Dawka paliwa w cylindrze szybko miesza się z powietrzem i spala się bardzo sprawnie.

Generalnie diesel z pompowtryskiwaczami charakteryzuje się wysoką sprawnością, niskim zużyciem paliwa, szybkobieżnością i możliwością uzyskiwania wysokich mocy jednostkowych. Ale silnik z pompowtryskiwaczami jest drogi w produkcji, głównie ze względu na dużą komplikację głowicy. Jego praca jest twarda i głośna. Przy zasilaniu pompowtryskiwaczami powstają też problemy z toksycznością spalin, co walnie przyczyniło się do rezygnacji koncernu VW z tego rozwiązania.

Wtrysk bezpośredni – Common rail

Najważniejszym elementem systemu wtrysku zwanego powszechnie Common-rail jest „wspólna szyna”, czyli rodzaj zasobnika zwanego też „ciśnieniowym akumulatorem paliwa”, do którego pompa tłoczy olej napędowy. Trafia on do wtryskiwaczy nie bezpośrednio z pompy ale właśnie z zasobnika, przy zachowaniu tego samego ciśnienia dla każdego cylindra.

Obrazowo można powiedzieć, że każdy z wtryskiwaczy nie czeka na dawkę paliwa z pompy, ale cały czas ma do dyspozycji paliwo pod bardzo wysokim ciśnieniem. Wystarczą elektryczne impulsy, uruchamiające wtryskiwacze, by paliwo trafiło do komór spalania. Taki system umożliwia tworzenie wtrysków wielofazowych (nawet 8 faz dla jednego wtrysku), co procentuje bardzo dokładnym spaleniem paliwa przy stopniowym narastaniu ciśnienia. Bardzo wysokie ciśnienie wtrysku (1800 bar) umożliwia z kolei zastosowanie wtryskiwaczy o bardzo małych otworach, podających paliwo praktycznie w formie mgły.

To wszystko składa się na wysoką sprawność silnika, miękką pracę i małą hałaśliwość (mimo wtrysku bezpośredniego), dobrą elastyczność i niską zawartość substancji toksycznych w spalinach. Silniki z zasilaniem Common-rail wymagają jednak stosowania paliwa o najwyższej jakości oraz najlepszych filtrów. Zanieczyszczenia obecne w paliwie mogą zniszczyć wtryskiwacze i doprowadzić do awarii, której usunięcie będzie niezwykle kosztowne.